第二章光電探測器1.

1、第二章第二章 光電探測器光電探測器光電檢測器件光電檢測器件光子探測器光子探測器熱探測器熱探測器光電發(fā)射探測器光電導探測器光伏探測器測輻射熱熱釋電l2.12.1光電探測器的物理基礎光電探測器的物理基礎l2.22.2光電探測器的特性參數(shù)光電探測器的特性參數(shù)l2.3 2.3 光電探測器的噪聲光電探測器的噪聲l2.42.4光電探測器光電探測器l2.52.5光電探測器的偏置與放大光電探測器的偏置與放大2.1 2.1 光電探測器的物理基礎光電探測器的物理基礎l定義：當光輻射入射到到定義：當光輻射入射到到光電材料光電材料上時，上時，材料材料發(fā)射電子發(fā)射電子，或其，或其電導率發(fā)生變化，電導率發(fā)生變化，或或產(chǎn)生

2、光電動勢產(chǎn)生光電動勢等等。u發(fā)射電子：外光電效應發(fā)射電子：外光電效應u電導率發(fā)生變化電導率發(fā)生變化、產(chǎn)生光電動勢：內光電效應。產(chǎn)生光電動勢：內光電效應。一、光電效應l內光電效應內光電效應：光電材料：光電材料受到受到光照后所產(chǎn)生的光光照后所產(chǎn)生的光電子只在材料內部而不會逸出材料外部電子只在材料內部而不會逸出材料外部多發(fā)生多發(fā)生在半導體材料。在半導體材料。l內光電效應內光電效應又分為又分為光電導效應和光生伏特效應光電導效應和光生伏特效應l光電導效應光電導效應：半導體受光照后，內部半導體受光照后，內部產(chǎn)生光生產(chǎn)生光生載流子載流子，使半導體中，使半導體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減載流子數(shù)顯著增加而電阻減

3、少少的現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象稱為光電導效應光電導效應。 內光電效應內光電效應光電導效應：光電導效應：本征光電導效應本征光電導效應非本征非本征光電導效應光電導效應0/1.24/()1.24/gggggghEEhvchc EmEhc EE本征吸收的長波限光電導效應：光電導效應：本征光電導效應本征光電導效應非本征非本征光電導效應光電導效應0/1.24/()1.24/gggggghEEhvchc EmEhc EE本征吸收的長波限 半導體可分為半導體可分為本征半導體本征半導體.P.P型半導體型半導體.N.N型半導體型半導體。 本征半導體：硅和鍺都是半導體，而純硅和鍺晶體本征半導體：硅和鍺都是半導體，而純硅和鍺晶

4、體稱本征半導體。硅和鍺為稱本征半導體。硅和鍺為4 4價元素，其晶體結構穩(wěn)定。價元素，其晶體結構穩(wěn)定。半導體類型半導體類型雜質半導體的形成：雜質半導體的形成：通過擴散工藝，在本征半導體通過擴散工藝，在本征半導體中摻入少量合適的雜質元素，可得到雜質半導體。中摻入少量合適的雜質元素，可得到雜質半導體。 N N型半導體：型半導體：在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N N型半導體。型半導體。N型半導體型半導體 N N型半導體：型半導體：由于雜質原子的最由于雜質原子的最外層有外層有5 5個價電

5、子，所以除了與周圍個價電子，所以除了與周圍硅原子形成共價鍵外，還多出一個硅原子形成共價鍵外，還多出一個電子。在常溫下，由于熱激發(fā)，就電子。在常溫下，由于熱激發(fā)，就可使它們成為自由電子，顯負電性?？墒顾鼈兂蔀樽杂呻娮?，顯負電性。這這N N是從是從“NegativeNegative（負）（負）”中取中取的第一個字母。的第一個字母。結論：結論： N N型半導體的導電特性：型半導體的導電特性：是靠自由電子導電，摻入是靠自由電子導電，摻入的雜質越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導電的雜質越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導電性能也就越強。性能也就越強。l 多子：多子：N N型半導體中，自由電子的濃度

6、大于空穴的濃型半導體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，稱為多數(shù)載流子，簡稱多子。度，稱為多數(shù)載流子，簡稱多子。l 少子：少子：空穴為少數(shù)載流子，簡稱少子?？昭樯贁?shù)載流子，簡稱少子。l 施主原子：施主原子：雜質原子可以提供電子，稱施子原子。雜質原子可以提供電子，稱施子原子。 P P型半導體：型半導體：在純凈的在純凈的4 4價本征半導體（如硅晶體）中混價本征半導體（如硅晶體）中混入了入了3 3價原子，譬如極小量（一千萬之一）的硼合成晶體，價原子，譬如極小量（一千萬之一）的硼合成晶體，使之取代晶格中硅原子的位置，形成使之取代晶格中硅原子的位置，形成P P型半導體。型半導體。u空穴的產(chǎn)生：空穴的產(chǎn)生

7、：由于雜質原子的由于雜質原子的最外層有最外層有3 3個價電子，當它們與周個價電子，當它們與周圍的硅原子形成共價鍵時，就產(chǎn)生圍的硅原子形成共價鍵時，就產(chǎn)生了一個了一個“空位空位”（空位電中性），（空位電中性），當硅原子外層電子由于熱運動填補當硅原子外層電子由于熱運動填補此空位時，雜質原子成為不可移動此空位時，雜質原子成為不可移動的負離子，同時，在硅原子的共價的負離子，同時，在硅原子的共價鍵中產(chǎn)生一個鍵中產(chǎn)生一個空穴空穴 ，由于少一電，由于少一電子，所以帶正電。子，所以帶正電。P型取型取“Positve（正）（正）”一詞的第一個字母。一詞的第一個字母。P型半導體型半導體結論：結論：1 1、多子的濃

8、度決定于雜質濃度。、多子的濃度決定于雜質濃度。原因：原因：摻入的雜質摻入的雜質使多子的數(shù)目大大增加，使多子與少子復合的機會大使多子的數(shù)目大大增加，使多子與少子復合的機會大大增多。因此，對于雜質半導體，多子的濃度愈高，大增多。因此，對于雜質半導體，多子的濃度愈高，少子的濃度就愈低。少子的濃度就愈低。2 2、少子的濃度決定于溫度。、少子的濃度決定于溫度。原因：原因：少子是本征激發(fā)少子是本征激發(fā)形成的，與溫度有關。形成的，與溫度有關。多子：多子：P P型半導體中，多子為空穴。型半導體中，多子為空穴。 少子：少子：為電子。為電子。受主原子：受主原子：雜質原子中的空位吸收電子，稱受主原子。雜質原子中的空

9、位吸收電子，稱受主原子。l 光生伏特效應光生伏特效應：光照在半導體光照在半導體P-NP-N結、結、P-i-NP-i-N結、金結、金屬屬- -半導體接觸上時，會在半導體接觸上時，會在PNPN結、結、P-i-NP-i-N結、金屬結、金屬- -半導體接觸的兩側產(chǎn)生半導體接觸的兩側產(chǎn)生光生電動勢光生電動勢。l PNPN結的光生伏特效應：結的光生伏特效應：當用適當波長的光照射當用適當波長的光照射PNPN結時，由于內建場的作用（不加外電場），結時，由于內建場的作用（不加外電場），光生電光生電子拉向子拉向N N區(qū)，光生空穴拉向區(qū)，光生空穴拉向P P區(qū)區(qū)，相當于，相當于PNPN結上加一結上加一個正電壓。個正電

10、壓。l 半導體內部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）半導體內部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）；如將；如將PNPN結短結短路，則會出現(xiàn)電流（路，則會出現(xiàn)電流（光生電流光生電流）。）。光生伏特效應光生伏特效應光生伏特效應光生伏特效應光照光照零偏零偏PN結結產(chǎn)生開路電壓的效應產(chǎn)生開路電壓的效應光電池光電池。光照光照反偏反偏光電信號是光電流光電信號是光電流結型光電探測器結型光電探測器的工作原理的工作原理光電二極管光電二極管。光電池的概念 光電池：光電池：是指利是指利用光生伏特效應直用光生伏特效應直接把光能轉化成電接把光能轉化成電能的器件，也叫能的器件，也叫太太陽能電池陽能電池光電池驅動的涼帽光電池驅動的涼帽注意注意光伏效

11、應由于是少數(shù)載流子過程，少數(shù)載流子壽命光伏效應由于是少數(shù)載流子過程，少數(shù)載流子壽命通常短于多數(shù)載流子壽命，當少數(shù)載流子復合掉時，通常短于多數(shù)載流子壽命，當少數(shù)載流子復合掉時，光伏信號就終止了。所以響應速度比用相同材料制光伏信號就終止了。所以響應速度比用相同材料制作的光電導探測器快。作的光電導探測器快。常用器件常用器件:光電池、光電二極管、光電三極管、光電池、光電二極管、光電三極管、雪崩光電二極雪崩光電二極管管(APD)、PINPIN光電二極管光電二極管外光電效應外光電效應光電發(fā)射效應：光電發(fā)射效應：愛因斯坦方程：愛因斯坦方程：光電發(fā)射效應光電發(fā)射效應 ：在光照下，物體：在光照下，物體向表面以外

12、空間發(fā)向表面以外空間發(fā)射電子射電子(即光電子即光電子)的現(xiàn)象的現(xiàn)象多發(fā)生于多發(fā)生于金屬和金屬氧金屬和金屬氧化物，化物，光電管中的光陰極。光電管中的光陰極。截止波長截止波長EhEk光電發(fā)射效應發(fā)生光電發(fā)射效應發(fā)生波長表示：波長表示：)(24. 1)(eVEmc光電發(fā)射體的功函光電發(fā)射體的功函數(shù)數(shù)物理意義：如果發(fā)射體內的電子所物理意義：如果發(fā)射體內的電子所吸收的光子能量大于發(fā)射體的吸收的光子能量大于發(fā)射體的功函數(shù)的值功函數(shù)的值，那么電子就能以相應的速度從發(fā)射體表面逸出。，那么電子就能以相應的速度從發(fā)射體表面逸出。 光電子發(fā)射探測器光電子發(fā)射探測器真空光電管真空光電管:真空光電管由光電陰極和陽極構成

13、，真空光電管由光電陰極和陽極構成，用于響用于響應要求極快的場合應要求極快的場合充氣光電管充氣光電管光電倍增管光電倍增管,應用最廣，內部有電子倍增系統(tǒng)，因而有很應用最廣，內部有電子倍增系統(tǒng)，因而有很高的電流增益，高的電流增益，能檢測極微弱的光輻射信號能檢測極微弱的光輻射信號。 光電子發(fā)射探測器光電子發(fā)射探測器主要是可見光探測器主要是可見光探測器，因為對紅，因為對紅外輻射響應的光電陰極只有銀一氧一銫光電陰極和新發(fā)外輻射響應的光電陰極只有銀一氧一銫光電陰極和新發(fā)展的負電子親和勢光電陰極，它們的響應波長也只擴展展的負電子親和勢光電陰極，它們的響應波長也只擴展到到125m，只適用于近紅外的探測，因此在紅

14、外系統(tǒng)，只適用于近紅外的探測，因此在紅外系統(tǒng)中應用不多。中應用不多。 二、光熱效應l光熱效應：光熱效應：材料受光照射后，材料受光照射后，光子能量與晶格相光子能量與晶格相互作用，振動加劇，溫度升高，材料的性質發(fā)生變互作用，振動加劇，溫度升高，材料的性質發(fā)生變化化。（入射光的加熱作用引起物質特性變化）。（入射光的加熱作用引起物質特性變化）u熱釋電效應：熱釋電效應：介質（如硫酸三甘肽、鈮酸鋰、鈮酸鍶鋇介質（如硫酸三甘肽、鈮酸鋰、鈮酸鍶鋇等）受光照射溫度升高，從而在晶體特定方向上由于自等）受光照射溫度升高，從而在晶體特定方向上由于自發(fā)極化強度隨隨溫度變化而引起表面電荷的變化。發(fā)極化強度隨隨溫度變化而引

15、起表面電荷的變化。 光輻射強度變化光輻射強度變化晶體溫度變化晶體溫度變化自發(fā)極化強度變化自發(fā)極化強度變化 當當強度調制過強度調制過的光輻射投射到熱釋電晶體上時，引起自的光輻射投射到熱釋電晶體上時，引起自發(fā)電極化強度隨時間的變化，結果在垂直于極化方向的發(fā)電極化強度隨時間的變化，結果在垂直于極化方向的晶體兩個外表面之間出現(xiàn)微小變化的信號電壓，由此可晶體兩個外表面之間出現(xiàn)微小變化的信號電壓，由此可測定所吸收的光輻射功率測定所吸收的光輻射功率輻射熱計效應（電阻溫度效應）：輻射熱計效應（電阻溫度效應）：入射光的照射使材入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象u當吸

16、收光輻射而溫度升高時，金屬的電阻會增加，當吸收光輻射而溫度升高時，金屬的電阻會增加，而半導體材料的電阻會降低而半導體材料的電阻會降低u從材料電阻變化可測定被吸收的光輻射功率。利用從材料電阻變化可測定被吸收的光輻射功率。利用材料的電阻變化制成的熱探測器就是材料的電阻變化制成的熱探測器就是電阻測輻射熱電阻測輻射熱計計u材料的電阻與溫度的關系可用材料的材料的電阻與溫度的關系可用材料的電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)T T來表征。來表征。電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)T T材料溫度從材料溫度從T T改變到了改變到了T+TT+T，材料的阻值改變量為：，材料的阻值改變量為：R=R=T TRT RT 當當TT足夠小時，則

17、有：足夠小時，則有： dR = dR = T T RdT RdT由此得到：由此得到： T T = = l 電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)T T與材料的種類和溫度有關與材料的種類和溫度有關。l 在室溫下金屬材料的在室溫下金屬材料的T T約為約為0.00330.0033。半導體材料的。半導體材料的T T值約為值約為-0.033-0.033；比金屬材料的；比金屬材料的T T值大一個數(shù)量值大一個數(shù)量級。級。 dTdRR1 溫差電效應：溫差電效應：由兩種材料制成的結點出現(xiàn)溫差而由兩種材料制成的結點出現(xiàn)溫差而在兩結在兩結 點間產(chǎn)生點間產(chǎn)生電動勢電動勢，回路中產(chǎn)生電流。，回路中產(chǎn)生電流。 當兩種不同的當兩種不同的

18、配偶材料配偶材料(金屬或半導體金屬或半導體)兩端并聯(lián)兩端并聯(lián) 熔按時，如果兩個接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中熔按時，如果兩個接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中 就產(chǎn)生電動勢，稱為溫差電動勢就產(chǎn)生電動勢，稱為溫差電動勢特點特點l 所有熱探測器，在理論上對一切波長都具有相同所有熱探測器，在理論上對一切波長都具有相同的響應，因而的響應，因而是非選擇性探測器是非選擇性探測器。這和光子探測。這和光子探測器在光譜響應上的主要區(qū)別。器在光譜響應上的主要區(qū)別。l 熱探測器除低溫測輻射熱器外熱探測器除低溫測輻射熱器外一般無需致冷一般無需致冷。l 熱探測器的熱探測器的響應時間比光子探測器長響應時間比光子探測器長，（取決于，（

19、取決于熱探測器熱容量的大小和散熱的快慢）熱探測器熱容量的大小和散熱的快慢） 典型光電探測器的物理效應典型光電探測器的物理效應: : 光電效應光電效應u光電發(fā)射效應光電發(fā)射效應 u光電導效應光電導效應 u光伏效應光伏效應 光熱效應光熱效應u溫差電效應溫差電效應u熱釋電效應熱釋電效應三、光電轉換定律光電轉換定律光電轉換定律光電轉換定律: 光電轉換：把光輻射量轉換為光電流量的過程。光電轉換：把光輻射量轉換為光電流量的過程。光電轉換定律光功率： dtdnhvdtdEtP光光電流： dtdnedtdQti電二者關系二者關系：D：探測器的光電轉換因子：探測器的光電轉換因子 tDPti代入上式中，可得：代入

20、上式中，可得：hveD )()(tPhveti 其中其中 稱為探測器的量子效率，它表示稱為探測器的量子效率，它表示探測器吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子數(shù)之比，它是探測器吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子數(shù)之比，它是探測器物理性質的函數(shù)。探測器物理性質的函數(shù)。dtdndtdn光電光電探測器對光電探測器對入射光功率入射光功率有響應有響應, ,響應量是響應量是光電流光電流。因此因此, ,一個光子探測器可視為一個電流源。一個光子探測器可視為一個電流源。因為因為光功率光功率P P正比于光電場的平方正比于光電場的平方, ,故常常把光電探故常常把光電探測器稱為測器稱為平方律探測器平方律探測器?；蛘哒f?；蛘哒f, ,光電探測器

21、本質上光電探測器本質上一個一個非線性器件非線性器件。 基本的光電轉換定律：基本的光電轉換定律：2.2 2.2 光電探測光電探測器的特性參數(shù)器的特性參數(shù)光電系統(tǒng)一般都是圍繞光電探測器的光電系統(tǒng)一般都是圍繞光電探測器的性能性能進行設計進行設計的，而探測器的性能由的，而探測器的性能由特定工作條件特定工作條件下的一些參數(shù)來下的一些參數(shù)來表征。表征。l實際參量實際參量l參考參量參考參量l測量條件測量條件30一、光電探測器的工作條件一、光電探測器的工作條件光電探測器的性能參數(shù)與其工作條件密切相關，光電探測器的性能參數(shù)與其工作條件密切相關，在給出性能參數(shù)時，在給出性能參數(shù)時，要注明有關的工作條件要注明有關的

22、工作條件。這一。這一點很重要，因為只有這樣，光電探測器才能點很重要，因為只有這樣，光電探測器才能互換使互換使用用。主要工作條件有：主要工作條件有：1 1輻射源的輻射源的光譜分布光譜分布 2 2電路的電路的通頻帶和帶寬通頻帶和帶寬3 3工作溫度工作溫度4 4光敏面尺寸光敏面尺寸5 5偏置情況偏置情況311.1.輻射源的光譜分布輻射源的光譜分布很多光電探測器（特別是光子探測器），其響很多光電探測器（特別是光子探測器），其響應是輻射波長的函數(shù)。僅對一定的波長范圍內應是輻射波長的函數(shù)。僅對一定的波長范圍內的輻射有信號輸出，稱為的輻射有信號輸出，稱為光譜響應光譜響應，它決定了，它決定了探測器探測特定目標

23、的有效程度。在說明探測探測器探測特定目標的有效程度。在說明探測器的性能時，一般都需要給出測定性能時所用器的性能時，一般都需要給出測定性能時所用輻射源的光譜分布。輻射源的光譜分布。l 如果輻射源是單色輻射，則需給出如果輻射源是單色輻射，則需給出輻射波長輻射波長。假如輻射源是黑體，那么要指明假如輻射源是黑體，那么要指明黑體的溫度黑體的溫度。l 當輻射經(jīng)過調制時，則要說明當輻射經(jīng)過調制時，則要說明調制頻率調制頻率。322.2.電路的通頻帶和帶寬電路的通頻帶和帶寬因噪聲限制了探測器的極限性能因噪聲限制了探測器的極限性能( (后面將詳細后面將詳細討論討論) )。l 噪聲電壓或電流均噪聲電壓或電流均正比于

24、帶寬的平方根正比于帶寬的平方根，有些，有些噪聲還是頻率的函數(shù)。噪聲還是頻率的函數(shù)。l 在描述探測器的性能時，必須明確在描述探測器的性能時，必須明確通頻帶和帶通頻帶和帶寬寬。333.3.工作溫度工作溫度l 許多探測器，特別是用半導體材料制作的探測許多探測器，特別是用半導體材料制作的探測器，無論是信號還是噪聲，都和工作溫度有密器，無論是信號還是噪聲，都和工作溫度有密切關系，所以必須切關系，所以必須明確工作溫度明確工作溫度。l 通用的工作溫度通用的工作溫度是：是： 室溫室溫(295K)(295K) 干冰溫度干冰溫度(195K)(195K) 液氮溫度液氮溫度(77K)(77K) 液氫溫度液氫溫度(20

25、.4K)(20.4K) 液氦溫度液氦溫度(4.2K) (4.2K) 344.4.光敏面尺寸光敏面尺寸l 探測器的探測器的信號信號和和噪聲噪聲都和光敏面積有關，大部都和光敏面積有關，大部分探測器的信噪比與分探測器的信噪比與光敏面積的平方根成比例光敏面積的平方根成比例l 參考面積一般為參考面積一般為1cm1cm2 2 355.5.偏置情況偏置情況l大多數(shù)探測器需要某種形式的偏置大多數(shù)探測器需要某種形式的偏置例如：光電導探測器和電阻測輻射熱器需要直流例如：光電導探測器和電阻測輻射熱器需要直流偏置電源偏置電源l信號和噪聲往往與偏置情況有關，因此要信號和噪聲往往與偏置情況有關，因此要說明說明偏置的情況偏

26、置的情況。l此外，對于此外，對于受背景光子噪聲限制受背景光子噪聲限制的探測器，應的探測器，應注明注明光學視場光學視場和和背景溫度背景溫度。l對于對于非密封型的薄膜探測器非密封型的薄膜探測器，要，要標明濕度標明濕度。 36二、特性參數(shù)二、特性參數(shù) l1.1.響應率響應率( (或稱響應度或稱響應度) )l2.2.量子效率量子效率l3.3.噪聲等效功率噪聲等效功率l4.4.探測率探測率D D和比探測率和比探測率D Dl5.5.光譜響應光譜響應l6.6.響應速度響應速度371.響應率響應率( (或稱響應度或稱響應度)Rv)Rv或或R RI I 響應率是響應率是描述探測器靈敏度描述探測器靈敏度的參量。它

27、表征探測的參量。它表征探測器器輸出輸出信號信號與與輸入輸入輻射輻射之間關系的參數(shù)。又稱為之間關系的參數(shù)。又稱為光電探測器的光電探測器的靈敏度靈敏度設光電探測器的輸出電壓為設光電探測器的輸出電壓為VsVs或電流為或電流為IsIs，入射，入射到光電探測器上的光功率到光電探測器上的光功率P PR Rv vV Vs sP P R RI Ii is sP P 分別稱為光電探測器的分別稱為光電探測器的電壓響應率電壓響應率和和電流響應率電流響應率測量響應率的輻射源一般是測量響應率的輻射源一般是500K500K的黑的黑體體 單色靈敏度單色靈敏度和和積分靈敏度積分靈敏度38單色靈敏度單色靈敏度如果使用波長為如果

28、使用波長為的單色輻射源，則稱為單色響應率或的單色輻射源，則稱為單色響應率或單色單色靈敏度靈敏度，又叫，又叫光譜響應度光譜響應度，用，用R R表示，表示，定義：光電探測器的輸出電壓或輸出電流與入射到探測器上定義：光電探測器的輸出電壓或輸出電流與入射到探測器上單色輻射通量單色輻射通量( (光通量光通量) )之比。之比。 (V/W) (V/W) (A/W) (A/W) 式中，式中， ()()為入射的單色輻射通量或光通量。如果為入射的單色輻射通量或光通量。如果()()為光通量，則為光通量，則R Rvv的單位為的單位為V Vlmlm。 39()VV sR()sIIR積分靈敏度積分靈敏度l 積分靈敏度積分

29、靈敏度表示探測器對各種波長的輻射光表示探測器對各種波長的輻射光連連續(xù)輻射通量續(xù)輻射通量的反應程度。對包含有各種波長的的反應程度。對包含有各種波長的輻射光源，總光通量為：輻射光源，總光通量為： l 光電探測器輸出的電流或電壓與入射總光通量光電探測器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分靈敏度。之比稱為積分靈敏度。40d)(0由于光電探測器輸出的光電流是由不同波長的光輻由于光電探測器輸出的光電流是由不同波長的光輻射引起的，所以輸出光電流為：射引起的，所以輸出光電流為： 可得積分靈敏度為：可得積分靈敏度為： 式中，式中， 、 分別為光電探測器的分別為光電探測器的長波限長波限和和短波限短波限l由于

30、采用不同的輻射源，甚至具有不同色溫的同由于采用不同的輻射源，甚至具有不同色溫的同一輻射源所發(fā)生的光譜通量分布也不相同，因此提一輻射源所發(fā)生的光譜通量分布也不相同，因此提供數(shù)據(jù)時供數(shù)據(jù)時應指明采用的輻射源及其色溫應指明采用的輻射源及其色溫。410011( )( )( )ssIIdRd 0101)()(ddRR012.2.量子效率量子效率（）量子效率是評價光電器件性能的一個重要參數(shù)，它是在量子效率是評價光電器件性能的一個重要參數(shù)，它是在某一特定波長某一特定波長上上每秒鐘內產(chǎn)生的光電子數(shù)每秒鐘內產(chǎn)生的光電子數(shù)與與入射光量子入射光量子數(shù)之比數(shù)之比。l單個光量子的能量為單個光量子的能量為 l單位波長的輻

31、射通量為單位波長的輻射通量為l波長增量波長增量 內的輻射通量為內的輻射通量為 l在此窄帶內的輻射通量，換算成量子流速率在此窄帶內的輻射通量，換算成量子流速率N N為為: :量子流速率量子流速率N N即為每秒入射的光量子數(shù)。即為每秒入射的光量子數(shù)。42hcheddehcdhdNeel 若若I IS S為信號電流，為信號電流，e e為電子電荷，為電子電荷，l 每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)為：每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)為：l 量子效率為：量子效率為：討論討論l 入射入射一個光量子就能發(fā)射一個電子或產(chǎn)生一一個光量子就能發(fā)射一個電子或產(chǎn)生一對電子一空穴對對電子一空穴對；l 實際上，實際上， 。一般反映的是入射輻射與最初的

32、光。一般反映的是入射輻射與最初的光敏元的相互作用。敏元的相互作用。l 對于對于有增益的光電探測器有增益的光電探測器( (如光電倍增管等如光電倍增管等) )，會遠，會遠大于大于1 1，此時我們一般使用，此時我們一般使用增益增益或或放大倍數(shù)放大倍數(shù)這個參數(shù)這個參數(shù)。43SeIRdee/( )SIeR hcNe ( ) 1 ( ) 1 l從響應度的定義來看，好象只要有光輻射存在，從響應度的定義來看，好象只要有光輻射存在，不管它的功率如何小，都可探測出來。但當不管它的功率如何小，都可探測出來。但當入射功入射功率很低率很低時，輸出只是些雜亂無章的變化信號，而無時，輸出只是些雜亂無章的變化信號，而無法肯定

33、是否有輻射入射在探測器上。這并不是探測法肯定是否有輻射入射在探測器上。這并不是探測器不好引起的，而是它所器不好引起的，而是它所固有的固有的“噪聲噪聲”引起的。引起的。l如果對這些隨時間而起伏的如果對這些隨時間而起伏的電壓電壓( (流流) )按時間取平均按時間取平均值，則值，則平均值等于零平均值等于零。但這些值的。但這些值的均方根不等于零均方根不等于零，這個均方根電壓，這個均方根電壓( (流流) )稱為稱為探測器的噪聲電壓探測器的噪聲電壓( (流流) )。 443.3.噪聲等效功率噪聲等效功率(NEP)(NEP)（最小可探測功率（最小可探測功率P Pminmin）信噪比信噪比(S(SN)N)1

34、1）作用：判定噪聲大小。）作用：判定噪聲大小。2 2）表示：在負載電阻）表示：在負載電阻R RL L上產(chǎn)生的上產(chǎn)生的信號功率與噪聲功率之比信號功率與噪聲功率之比：分貝分貝(dB)(dB)表示：表示：3 3）注意）注意l利用利用S SN N評價兩種光電探測器性能時，評價兩種光電探測器性能時，必須在信號輻射功率必須在信號輻射功率相同的情況下相同的情況下才能比較。才能比較。l對單個光電探測器，其對單個光電探測器，其S/NS/N的大小與入射信號輻射功率及接收的大小與入射信號輻射功率及接收面積有關。如果入射輻射強，接收面積大，面積有關。如果入射輻射強，接收面積大，S/NS/N就大，但性能不就大，但性能不

35、一定就好。因此用一定就好。因此用S/NS/N評價器件有一定的評價器件有一定的局限性局限性。 452222NsLNLsNsIIRIRIPPNSNSNSdBIIIINSlg20lg10)(22噪聲等效功率噪聲等效功率(NEP)(NEP)定義：信號功率與噪聲功率之比為定義：信號功率與噪聲功率之比為1(1(即即S SN N1)1)時，入射到探測器上的時，入射到探測器上的輻射通量輻射通量( (單位為瓦單位為瓦) )l一個良好的探測器件的一個良好的探測器件的NEPNEP約為約為1010-11-11W W。NEPNEP越小越小，噪聲越小，器件的性能越好，噪聲越小，器件的性能越好l 應指明測量條件，如應指明測

36、量條件，如光譜分布光譜分布、頻率、溫度等頻率、溫度等作用：作用：確定光電探測器件的探測極限確定光電探測器件的探測極限 46NSNEPe/舉例：光纖通信、衛(wèi)星之間通信4 4探測率探測率D D與比探測率與比探測率D D* *l只用只用NEPNEP無法無法比較兩個不同來源的光探器比較兩個不同來源的光探器的優(yōu)劣。引的優(yōu)劣。引入兩個新的性能參數(shù)入兩個新的性能參數(shù)探測率探測率D D和比探測率和比探測率D D* *探測率探測率D D定義為定義為NEPNEP的倒數(shù)，即的倒數(shù)，即l它描述的特性是：它描述的特性是：光電探測器在它的噪聲電平之上光電探測器在它的噪聲電平之上產(chǎn)生一個可觀測的電信號的本領產(chǎn)生一個可觀測的

37、電信號的本領，即光電探測器能響，即光電探測器能響應的入射光功率越小，則其探測率越高。應的入射光功率越小，則其探測率越高。l探測率探測率D D與與光敏面積光敏面積A Ad d、測量帶寬測量帶寬有關。有關。47/1NVs VDNEP2 2）比探測率比探測率D D* *為了能方便地對不同來源的光電探測器進行比較，將為了能方便地對不同來源的光電探測器進行比較，將V VN N除以除以 ，則，則D D就與就與A Ad d和帶寬無關了。也就是和帶寬無關了。也就是歸一化到歸一化到測量帶寬為測量帶寬為1Hz1Hz、光探測器、光探測器光敏面積為光敏面積為1cm1cm2 2。這種歸一化的探測率一般稱為比探測率，通常

38、用。這種歸一化的探測率一般稱為比探測率，通常用D D* *記之。根據(jù)定義，記之。根據(jù)定義，D D* *的表達式為的表達式為: : 48fAd)(121WHzcm/*SNdVVDAf5.5.光譜響應光譜響應1 1）定義：）定義：不同波長的光輻射照射到探測器光敏面時，探測器的不同波長的光輻射照射到探測器光敏面時，探測器的響應率響應率和和比探測率比探測率等特性參量等特性參量隨隨光輻射波長光輻射波長變化變化的特的特性。性。2 2）單色靈敏度和單色探測率，）單色靈敏度和單色探測率，峰值波長峰值波長3 3）光子探測器光子探測器的光譜響應的光譜響應與波長有關，與波長有關，截止波長截止波長4 4）熱探測器熱探

39、測器的光譜響應的光譜響應與與波長無關波長無關，與輻射功率有關。，與輻射功率有關。49 6 6. .響應速度響應速度 1 1）響應時間是描述光電探測器對）響應時間是描述光電探測器對入射輻射入射輻射響應快慢響應快慢的一個參數(shù)。的一個參數(shù)。2 2）當入射輻射到光電探測器后或）當入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的入射輻射遮斷后，光電探測器的輸輸出上升到穩(wěn)定值出上升到穩(wěn)定值或或下降到照射前的下降到照射前的值值所需時間稱為響應時間。常用所需時間稱為響應時間。常用時時間常數(shù)間常數(shù) 的大小來表示。的大小來表示。當用一個輻射脈沖照射光電探測器當用一個輻射脈沖照射光電探測器，如果這個脈沖的上升和

40、下降時間，如果這個脈沖的上升和下降時間很短，如方波，則光電探測器的輸很短，如方波，則光電探測器的輸出由于出由于器件的惰性器件的惰性而有延遲，把從而有延遲，把從1010上升到上升到9090峰值處所需的時間峰值處所需的時間稱為探測器的稱為探測器的上升時間上升時間，而把從，而把從9090下降到下降到1010處所需的時間稱為處所需的時間稱為下下降時間降時間。 50頻率響應頻率響應l入射光輻射的頻率對光電探測器的響應將會有較大的影響。入射光輻射的頻率對光電探測器的響應將會有較大的影響。光電探測器的響應隨入射輻射的調制頻率而變化的特性稱為光電探測器的響應隨入射輻射的調制頻率而變化的特性稱為頻頻率響應率響應

41、。對光子探測器，其頻率響應特性相當于低通濾波器，。對光子探測器，其頻率響應特性相當于低通濾波器，探測器響應率：探測器響應率：51l 為頻率是為頻率是 時的響應度；時的響應度；lR0為頻率是零時的響應度；為頻率是零時的響應度；l為探測器響應時間。為探測器響應時間。l當當 時，可得放大器時，可得放大器的的上限截止頻率上限截止頻率 l顯然，時間常數(shù)顯然，時間常數(shù)決定了光電探?jīng)Q定了光電探測器頻率響應的帶寬。測器頻率響應的帶寬。2120)2(1)(fRfR)( fRf707.021)(0RfR12f上lf1/2,R(f)與與f成反比成反比lF1/2,R(f)與與f 無關。無關。l一般光子探測器的時間常量

42、一般光子探測器的時間常量很小，可達很小，可達微秒甚至納秒量級，所以在很寬頻率范圍微秒甚至納秒量級，所以在很寬頻率范圍內頻率響應曲線是平坦的。內頻率響應曲線是平坦的。l對于熱探測器，對于熱探測器，R(f)與與f關系也可用上式，關系也可用上式，不過熱探測器的時間常量很大，因此頻響不過熱探測器的時間常量很大，因此頻響曲線的平坦范圍很窄（一般為幾十曲線的平坦范圍很窄（一般為幾十Hz）l其他注意問題其他注意問題u響應率、比探測率和探測器噪聲隨探測溫度變響應率、比探測率和探測器噪聲隨探測溫度變化化u探測器的噪聲電壓隨調制頻率變化探測器的噪聲電壓隨調制頻率變化u探測器的阻抗及其隨溫度的變化探測器的阻抗及其隨

43、溫度的變化u探測器的最佳偏置條件探測器的最佳偏置條件例 ： 已 知 某 探 測 器 的 面 積 為例 ： 已 知 某 探 測 器 的 面 積 為 3 3 4 c m4 c m2 2，D D* *=10=101111cmHzcmHz1/21/2w w-1-1，光電儀器的帶寬為，光電儀器的帶寬為300Hz300Hz，該儀器，該儀器所能探測的光輻射的所能探測的光輻射的最小輻射功率最小輻射功率？解：由解：由D D* *的定義：的定義：當當Vs/VVs/VN N=1=1時，得到最小探測功率，時，得到最小探測功率，所以：所以： 其中：其中：A Ad d=3=34cm4cm2 2，D D* *=10=101

44、111cmHzcmHz1/21/2w w-1-1，=300Hz=300Hz代入，得該儀器所能探測的光輻射的最小輻射功率代入，得該儀器所能探測的光輻射的最小輻射功率minmin=6=61010-10-10W W54/*SNdVVDAfmin1*dDAf2.3 光電探測器的噪聲光電探測器的噪聲噪聲問題噪聲問題l光電探測系統(tǒng)實際上是光信號的變換、傳輸及處理光電探測系統(tǒng)實際上是光信號的變換、傳輸及處理的系統(tǒng)。它除了包含光探測器外，還配有電子學系統(tǒng)的系統(tǒng)。它除了包含光探測器外，還配有電子學系統(tǒng)( (例如低噪聲前置放大器等例如低噪聲前置放大器等) )、光學系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)、光學系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)在工作時，總

45、會受到一些無用信號的干擾，這些非信在工作時，總會受到一些無用信號的干擾，這些非信號的成分統(tǒng)稱為噪聲。號的成分統(tǒng)稱為噪聲。 l主要噪聲源主要噪聲源：1 1）光電變換）光電變換器件器件中光電子隨機起伏的干擾；中光電子隨機起伏的干擾； 2 2）輻射光場在傳輸過程中受到）輻射光場在傳輸過程中受到通道通道的影響的影響 3 3）背景光背景光的干擾；的干擾； 4 4）放大器放大器引入的干擾等。引入的干擾等。55一、光電系統(tǒng)中的噪聲一、光電系統(tǒng)中的噪聲廣義上講，任何疊加在信號上的不希望的隨機擾廣義上講，任何疊加在信號上的不希望的隨機擾動或干擾統(tǒng)稱為噪聲。這些干擾及擾動主要來自動或干擾統(tǒng)稱為噪聲。這些干擾及擾動

46、主要來自兩方面：兩方面：(1)(1)來自被研究系統(tǒng)的來自被研究系統(tǒng)的外部外部(2)(2)來自被研究系統(tǒng)來自被研究系統(tǒng)內部內部56探測器探測器噪噪 聲聲光子噪聲光子噪聲電路噪聲電路噪聲(1)(1)來自被研究系統(tǒng)的外部來自被研究系統(tǒng)的外部通常由電、磁、機械、雜散光等因素所引起，這通常由電、磁、機械、雜散光等因素所引起，這種干擾絕大多數(shù)是種干擾絕大多數(shù)是“人為的人為的”，如，如電源電源50H z50H z干擾干擾；工業(yè)設備電火花干擾工業(yè)設備電火花干擾等。等。但這種干擾多但這種干擾多具有一定規(guī)律性具有一定規(guī)律性。采取適當?shù)拇胧┎扇∵m當?shù)拇胧? (如屏蔽、濾波、遠離噪聲源等如屏蔽、濾波、遠離噪聲源等)

47、)可以將其可以將其減小或消除減小或消除。 57(2)(2)來自被研究系統(tǒng)內部來自被研究系統(tǒng)內部來自被研究系統(tǒng)內部的材料、器件或固有的物來自被研究系統(tǒng)內部的材料、器件或固有的物理過程的理過程的自然擾動自然擾動。例如：例如：導體中帶電粒子無規(guī)則運動引起的導體中帶電粒子無規(guī)則運動引起的熱噪聲熱噪聲這些過程是這些過程是隨機過程隨機過程，它既不能預知其精確大小，它既不能預知其精確大小及規(guī)律。及規(guī)律。不能完全消除不能完全消除，但可以得知其遵循的統(tǒng)計規(guī)律，但可以得知其遵循的統(tǒng)計規(guī)律、也、也可以可以通過一些措施予以通過一些措施予以控制控制。 58l噪聲影響對信號特別是噪聲影響對信號特別是微弱信號微弱信號的正確

48、探測。的正確探測。l一個光電探測系統(tǒng)的一個光電探測系統(tǒng)的極限探測能力極限探測能力往往由探測系統(tǒng)往往由探測系統(tǒng)的噪聲所限制。的噪聲所限制。l所以在精密測量、通訊、自動控制、核探測等領域所以在精密測量、通訊、自動控制、核探測等領域，減小和消除噪聲是十分重要的問題。，減小和消除噪聲是十分重要的問題。 59噪聲的度量噪聲的度量l噪聲是一種噪聲是一種隨機信號隨機信號，它實質上就是物理量圍繞其平均值的漲，它實質上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。任何一個宏觀測量的物理量都是微觀過程的落現(xiàn)象。任何一個宏觀測量的物理量都是微觀過程的統(tǒng)計平均統(tǒng)計平均值值。研究噪聲一般采用。研究噪聲一般采用長周期測定其均方值長周

49、期測定其均方值( (即噪聲功率即噪聲功率) )的方的方法，在數(shù)學上即用隨機量的起伏方差來計算。法，在數(shù)學上即用隨機量的起伏方差來計算。l對于對于平穩(wěn)隨機過程平穩(wěn)隨機過程，通常采用先計算噪聲電壓，通常采用先計算噪聲電壓( (電流電流) )的平方值的平方值，然后將其對時間作平均，來求噪聲電壓，然后將其對時間作平均，來求噪聲電壓( (電流電流) )的均方值，即的均方值，即： 上式表示噪聲電壓上式表示噪聲電壓( (電流電流) )消耗在消耗在11電阻電阻上的平均功率通稱為噪上的平均功率通稱為噪聲功率。聲功率。6022)(tuUnn22)(tiinn二、噪聲的功率譜密度和相關性二、噪聲的功率譜密度和相關性

50、l噪聲的頻譜分布（噪聲功率譜密度）噪聲的頻譜分布（噪聲功率譜密度）單位頻譜單位頻譜的噪聲功率的噪聲功率S Sn n( (f f) )l噪聲功率（電壓、電流）可由噪聲功率（電壓、電流）可由噪聲功率譜密度噪聲功率譜密度S Sn n( (f f) )在頻域積分得到。在頻域積分得到。l如果如果S Sn n( (f f) )與頻率無關，則對于一個具有帶寬與頻率無關，則對于一個具有帶寬f f的的探測系統(tǒng)：探測系統(tǒng)：612()nniSff一般從一般從S Sn n( (f f) )分布規(guī)律可知噪聲的頻率特性。有利于抑分布規(guī)律可知噪聲的頻率特性。有利于抑制噪聲制噪聲l白噪聲白噪聲：平坦頻率特性，噪聲特性為正態(tài)高

51、斯分布：平坦頻率特性，噪聲特性為正態(tài)高斯分布l有色噪聲有色噪聲：u1/f1/f噪聲噪聲（紅噪聲），（紅噪聲）， S Sn n( (f f) 1/f,) 1/f,低頻噪聲低頻噪聲u藍噪聲藍噪聲, , S Sn n( (f f) f) f2 2，高頻噪聲，高頻噪聲注意：注意：減小探測器和探測系統(tǒng)的噪聲：減小探測器和探測系統(tǒng)的噪聲：一是噪聲功率譜密度一是噪聲功率譜密度S Sn n( (f f) )要小要小二是盡量減小系統(tǒng)的帶寬，只要保證不影響信號的特二是盡量減小系統(tǒng)的帶寬，只要保證不影響信號的特征頻率即可。征頻率即可。62噪聲的相關性噪聲在不同時刻的取值是隨機的，兩個不同噪噪聲在不同時刻的取值是隨機

52、的，兩個不同噪聲仍然存在一定的關系。聲仍然存在一定的關系。u不相關的噪聲源不相關的噪聲源u相關時引入相關系數(shù)相關時引入相關系數(shù)u在大多數(shù)情況下，探測器和探測系統(tǒng)中各個在大多數(shù)情況下，探測器和探測系統(tǒng)中各個噪聲源基本是彼此獨立的噪聲源基本是彼此獨立的三、光電探測器噪聲三、光電探測器噪聲在光電探測器中在光電探測器中固有噪聲固有噪聲主要有：主要有：熱噪聲熱噪聲散粒噪聲散粒噪聲產(chǎn)生復合噪聲產(chǎn)生復合噪聲(g(gr r噪聲噪聲) )溫度噪聲溫度噪聲 噪聲。噪聲。 64f11.1.熱噪聲熱噪聲1 1）產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因l熱噪聲是由耗散元件中電荷載流子的隨機熱運熱噪聲是由耗散元件中電荷載流子的隨機熱運動引起的。

53、任何一個處于動引起的。任何一個處于熱平衡條件熱平衡條件下的電阻，下的電阻，即使沒有外加電壓，也都有一定量的噪聲。即使沒有外加電壓，也都有一定量的噪聲。lABAB兩極間的電阻為兩極間的電阻為R R，在絕對溫度，在絕對溫度T T時，體內的時，體內的電子處于不斷的熱運動中，是一團毫無秩序可言電子處于不斷的熱運動中，是一團毫無秩序可言的電子運動。的電子運動。65ABSl 從時間平均來說，這兩種方向的電子數(shù)一定相等，不從時間平均來說，這兩種方向的電子數(shù)一定相等，不會有電流通過會有電流通過ABAB。但是如果考慮。但是如果考慮流過流過S S面的電子數(shù)的面的電子數(shù)的均方偏差均方偏差，這樣在，這樣在ABAB兩端

54、就應出現(xiàn)一兩端就應出現(xiàn)一電壓漲落電壓漲落。2 2）度量度量l 這一電壓漲落直到這一電壓漲落直到19281928年才為瓊斯年才為瓊斯(Johnson)(Johnson)的實驗的實驗所證實。同時奈奎斯持所證實。同時奈奎斯持(Nyquist)(Nyquist)推導出推導出熱噪聲功率熱噪聲功率為：為：式中式中k k為玻爾茲曼常量，為玻爾茲曼常量， 為測量帶寬。為測量帶寬。l 如用如用噪聲電流噪聲電流表示則為表示則為66fRkTUnJ 42fRfkTinJ42l通常也用通常也用熱噪聲電流熱噪聲電流( (電壓電壓) )均方根均方根值來進行計值來進行計算：算：l熱噪聲屬于熱噪聲屬于白噪聲頻譜白噪聲頻譜，一般

55、說來，一般說來，高端極限高端極限頻率頻率為：為： f fH H0 015kT15kT10101313HzHz在室溫下在室溫下(T(T290k)290k)， f fH H6 610101212HzHz，一般電，一般電子學系統(tǒng)工作頻率遠低于該值，故可認為熱噪聲子學系統(tǒng)工作頻率遠低于該值，故可認為熱噪聲為白噪聲頻譜。為白噪聲頻譜。 672/124RfkTinJ2/ 124fRkTUnJl例如：室溫條件下例如：室溫條件下R R1k1k的電阻，在的電阻，在 1Hz1Hz帶寬帶寬內的均方根熱噪聲電壓值約為內的均方根熱噪聲電壓值約為4nV4nV；l若工作帶寬為若工作帶寬為500kHz500kHz的系統(tǒng)，放大

56、器增益為的系統(tǒng)，放大器增益為10104 4，則，則在放大器輸出端的熱噪聲均方根電壓約在放大器輸出端的熱噪聲均方根電壓約28mV28mV。l在在微弱信號探測微弱信號探測中，是一個不可忽視的量。中，是一個不可忽視的量。？如何減小熱噪聲如何減小熱噪聲光電探測系統(tǒng)的一個重要問題光電探測系統(tǒng)的一個重要問題1 1）熱噪聲功率與探測器工作溫度）熱噪聲功率與探測器工作溫度T T的有關的有關制冷制冷。特別是對一些紅外探測器。特別是對一些紅外探測器。2 2）同時在滿足信號不失真的條件下，盡量）同時在滿足信號不失真的條件下，盡量縮短工作頻縮短工作頻帶帶。 68f2 2散粒噪聲散粒噪聲1 1）產(chǎn)生原因）產(chǎn)生原因探測器

57、的散粒噪聲是由于探測器在光輻射作用或熱激發(fā)探測器的散粒噪聲是由于探測器在光輻射作用或熱激發(fā)下，下，光電子或光生載流子的隨機產(chǎn)生光電子或光生載流子的隨機產(chǎn)生所造成的。由于隨所造成的。由于隨機起伏是一個一個的帶電粒子或電子引起的，所以稱為機起伏是一個一個的帶電粒子或電子引起的，所以稱為散粒噪聲。散粒噪聲。l存在于存在于光電子發(fā)射器件光電子發(fā)射器件、光生伏特器件光生伏特器件。l電子管中任一短時間電子管中任一短時間內發(fā)射出來的電子決不會總是內發(fā)射出來的電子決不會總是等于平均數(shù)，而是等于平均數(shù)，而是圍繞這一平均數(shù)有一漲落圍繞這一平均數(shù)有一漲落。 692 2）度量度量以電子管為例，電子管陰極任一短時間內發(fā)射出來的電子絕不以電子管為例，電子管陰極任一短時間內發(fā)射出來的電子絕不會總是等于平均數(shù)，而是圍繞這一平均數(shù)有一漲落。從漲落的會總是等于平均數(shù)，而是圍繞這一